Nguyên lý hoạt động của laser (Principle of Laser Operation)

1. Hấp thụ (Absorption)

Khi một photon có năng lượng $E = h\nu$ (với $h$ là hằng số Planck và $\nu$ là tần số của photon) tương tác với một nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp $E_1$, nguyên tử có thể hấp thụ photon và chuyển lên trạng thái năng lượng cao hơn $E_2$. Điều kiện để xảy ra hấp thụ là năng lượng của photon phải bằng đúng hiệu năng lượng giữa hai mức: $E = E_2 – E_1 = h\nu$. Quá trình này làm tăng số lượng nguyên tử ở trạng thái năng lượng cao $E_2$.

2. Phát xạ tự phát (Spontaneous Emission)

Một nguyên tử ở trạng thái kích thích $E_2$ là không ổn định và có thể tự phát chuyển xuống trạng thái năng lượng thấp hơn $E_1$ bằng cách phát ra một photon có năng lượng $E = E_2 – E_1 = h\nu$. Hướng và pha của photon phát ra là ngẫu nhiên. Thời gian tồn tại ở trạng thái kích thích trước khi phát xạ tự phát xảy ra là rất ngắn.

3. Phát xạ cưỡng bức (Stimulated Emission)

Đây là nguyên lý cốt lõi của hoạt động laser. Khi một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích $E_2$ tương tác với một photon có năng lượng $E = E_2 – E_1$, photon này sẽ kích thích nguyên tử phát ra một photon khác có cùng năng lượng, cùng pha, cùng hướng và cùng trạng thái phân cực với photon tới. Kết quả là từ một photon ban đầu, ta thu được hai photon giống hệt nhau. Quá trình này được gọi là khuếch đại ánh sáng. Chính nhờ phát xạ cưỡng bức mà chùm tia laser có tính đơn sắc, tính kết hợp và tính định hướng cao.

Điều kiện để tạo ra laser:

• Môi trường hoạt chất (Active Medium): Đây là môi trường chứa các nguyên tử hoặc phân tử có khả năng bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn. Môi trường này có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí.
• Nguồn bơm năng lượng (Pumping Source): Để tạo ra sự đảo ngược mật độ cư trú, cần một nguồn năng lượng bên ngoài để đưa các nguyên tử lên trạng thái kích thích. Nguồn bơm có thể là ánh sáng, phóng điện, phản ứng hóa học,…
• Đảo ngược mật độ cư trú (Population Inversion): Đây là trạng thái mà số lượng nguyên tử ở mức năng lượng cao $E_2$ nhiều hơn số lượng nguyên tử ở mức năng lượng thấp $E_1$. Trạng thái này là cần thiết để phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế so với hấp thụ.
• Buồng cộng hưởng quang học (Optical Resonator): Thường được tạo bởi hai gương đặt song song đối diện với môi trường hoạt chất. Các photon được tạo ra bởi phát xạ cưỡng bức sẽ phản xạ qua lại giữa hai gương, tiếp tục kích thích các nguyên tử khác và tạo ra thêm nhiều photon giống hệt nhau. Một trong hai gương được thiết kế để cho một phần ánh sáng laser thoát ra ngoài.

Đặc điểm của tia laser:

• Đơn sắc (Monochromatic): Ánh sáng laser có một bước sóng rất hẹp, tức là chỉ gồm một màu rất tinh khiết. Điều này cho phép tập trung năng lượng vào một dải tần số hẹp.
• Định hướng (Directional): Tia laser có độ phân kỳ rất nhỏ, tức là lan truyền theo một hướng rất xác định. Tính định hướng cao cho phép truyền tia laser đi xa mà không bị tán xạ nhiều.
• Kết hợp (Coherent): Các photon trong tia laser có cùng pha và cùng tần số. Tính kết hợp cao cho phép tạo ra các hiệu ứng giao thoa.
• Cường độ cao (High Intensity): Năng lượng của tia laser tập trung trong một diện tích nhỏ và một khoảng thời gian ngắn, tạo ra cường độ rất cao. Điều này cho phép laser được sử dụng trong các ứng dụng cắt, hàn, khắc,…

Nhờ những đặc tính này, laser được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, công nghiệp, viễn thông, khoa học và quân sự.

Các loại laser:

Laser được phân loại dựa trên môi trường hoạt chất sử dụng. Một số loại laser phổ biến bao gồm:

• Laser rắn (Solid-state lasers): Môi trường hoạt chất là vật liệu rắn, ví dụ như ruby, Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet). Laser Nd:YAG là một trong những loại laser rắn phổ biến nhất, phát ra ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng 1064 nm.
• Laser khí (Gas lasers): Môi trường hoạt chất là khí, ví dụ như He-Ne (Helium-Neon), CO2 (Carbon Dioxide), Ar (Argon). Laser He-Ne phát ra ánh sáng đỏ ở bước sóng 632.8 nm, thường được sử dụng trong các thiết bị quét mã vạch và các thí nghiệm quang học. Laser CO2 phát ra ánh sáng hồng ngoại ở bước sóng 10.6 μm, được sử dụng rộng rãi trong cắt, khắc và hàn.
• Laser lỏng (Dye lasers): Môi trường hoạt chất là dung dịch thuốc nhuộm hữu cơ. Laser lỏng có thể được điều chỉnh để phát ra ánh sáng ở nhiều bước sóng khác nhau.
• Laser bán dẫn (Semiconductor lasers): Còn được gọi là laser diode, sử dụng một lớp tiếp giáp p-n trong vật liệu bán dẫn làm môi trường hoạt chất. Laser bán dẫn có kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như đầu đọc đĩa CD/DVD, máy in laser và con trỏ laser.
• Laser excimer (Excimer lasers): Sử dụng phân tử excimer, một loại phân tử chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích, làm môi trường hoạt chất. Laser excimer phát ra ánh sáng tử ngoại và được sử dụng trong phẫu thuật mắt LASIK và sản xuất vi mạch.
• Laser sợi quang (Fiber lasers): Môi trường hoạt chất là sợi quang pha tạp với các ion đất hiếm. Laser sợi quang có hiệu suất cao, chất lượng chùm tia tốt và được sử dụng trong viễn thông, gia công vật liệu và cảm biến.

Ứng dụng của Laser:

Nhờ tính chất đặc biệt của mình, laser được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực:

• Y học: Phẫu thuật, điều trị da liễu, nha khoa.
• Công nghiệp: Cắt, hàn, khắc, đo đạc.
• Viễn thông: Truyền dữ liệu qua cáp quang.
• Khoa học: Nghiên cứu vật liệu, quang phổ học.
• Quân sự: Vũ khí dẫn đường, hệ thống phòng thủ.
• Giải trí: Đầu đọc đĩa, máy chiếu laser.

• Svelto, O. (2010). Principles of Lasers. Springer.
• Silfvast, W. T. (2004). Laser Fundamentals. Cambridge University Press.
• Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2007). Fundamentals of Photonics. Wiley.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa phát xạ tự phát và phát xạ cưỡng bức là gì?

Trả lời: Trong phát xạ tự phát, nguyên tử ở trạng thái kích thích tự phát chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra một photon có hướng và pha ngẫu nhiên. Trong phát xạ cưỡng bức, một photon tới tương tác với nguyên tử ở trạng thái kích thích, kích thích nó phát ra một photon giống hệt photon tới về năng lượng ($E = h\nu$), pha, hướng và phân cực.

Tại sao đảo nghịch mật độ cư trú lại quan trọng đối với hoạt động của laser?

Trả lời: Đảo nghịch mật độ cư trú, tức là trạng thái có nhiều nguyên tử ở mức năng lượng cao hơn so với mức năng lượng thấp hơn, là cần thiết để đảm bảo rằng phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế so với hấp thụ. Nếu không có đảo nghịch mật độ cư trú, photon tới sẽ có nhiều khả năng bị hấp thụ bởi các nguyên tử ở mức năng lượng thấp hơn là kích thích phát xạ.

Vai trò của buồng cộng hưởng quang học trong laser là gì?

Trả lời: Buồng cộng hưởng quang học, thường được tạo bởi hai gương đặt song song, có hai chức năng chính: (1) Nó cung cấp phản hồi tích cực bằng cách cho phép các photon phản xạ qua lại nhiều lần trong môi trường hoạt chất, kích thích thêm nhiều phát xạ cưỡng bức và khuếch đại ánh sáng. (2) Nó giúp tạo ra tia laser định hướng bằng cách chọn lọc các photon di chuyển theo hướng song song với trục của buồng cộng hưởng.

Làm thế nào để điều chỉnh bước sóng của laser?

Trả lời: Bước sóng của laser được xác định bởi sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức năng lượng tham gia vào quá trình phát xạ cưỡng bức. Việc điều chỉnh bước sóng có thể được thực hiện bằng cách thay đổi môi trường hoạt chất (ví dụ: sử dụng các loại thuốc nhuộm khác nhau trong laser nhuộm) hoặc bằng cách sử dụng các thành phần quang học bên trong buồng cộng hưởng để chọn lọc bước sóng mong muốn.

Ngoài các ứng dụng phổ biến như cắt, hàn và viễn thông, laser còn được sử dụng trong những lĩnh vực nào khác?

Trả lời: Laser có rất nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm: y học (phẫu thuật, điều trị da liễu, nha khoa), đo đạc chính xác (ví dụ: đo khoảng cách đến Mặt Trăng), nghiên cứu khoa học (quang phổ học, làm mát bằng laser), lưu trữ dữ liệu quang học, tạo hình ảnh ba chiều (holography), và thậm chí cả trong giải trí (biểu diễn ánh sáng laser).